铝的开采和冶炼
2020-12-16 16:25:10
铝及其合金概述
铝是一种银白色金属，熔点为660°C（1,220°F），密度为2.7克/立方厘米。铝元素在地球表面的含量仅次于氧和硅，居第三位。在纯状态下，它柔软而易延展，但可以与许多其他元素制成合金，以增加强度并提供许多有用的性能。铝合金重量轻，坚固并且可以通过几乎所有已知的金属加工工艺成型。它们可以铸造、挤压、可以通过多种技术连接，并且容易加工，可以处理成多种饰面。
除了低密度之外，铝及其合金的许多应用还基于其高电导率和导热率，高反射率以及耐腐蚀性能。它的耐腐蚀性能归功于连续的氧化铝膜，该膜在暴露于空气的新生铝表面上迅速生长。
铝具有与其他常见元素结合的强烈趋势，因此自然界中很少以金属形式出现。然而，其化合物实际上是常见岩石的重要组成部分。它存在于粘土，页岩，板岩，片岩，花岗岩，正长岩和钙长石中。
铝矿业
到目前为止，商业上开采的铝土矿数量大部分是地球表面或附近。因此，它被开采露天矿只需很少的覆盖层去除。铝土矿床经过喷砂处理后松散并用电铲或拉铲进行挖掘，矿石通过卡车，铁路或传送带运输到加工厂，在这里进行破碎以方便处理。如果可能，精炼厂位于矿场附近，因为运输是铝土矿成本的主要项目。
开采的铝土矿中约有90％被精炼成氧化铝，最终被熔炼成铝。剩余的10％用于其他应用，例如用于原油回收的磨料，耐火材料和支撑剂。大约四吨高级铝土矿可生产两吨氧化铝，并由此生产一吨铝。
精炼铝矿石
精炼铝土矿、粘土或其他矿石以获得氧化铝的方法有很多种：碱法、酸法和热法。工业生产的氧化铝纯度一般不高，也不足以生产出高纯度的电热氧化铝。中国和俄罗斯采用石灰和苏打处理矿石的工艺。
拜耳法涉及四个步骤：消化，澄清，沉淀和煅烧。
第一步，将铝土矿研磨，用苛性苏打（氢氧化钠）制成浆状，然后泵入称为蒸煮器的大型压力罐中，矿石在其中经受蒸汽加热和加压。氢氧化钠与铝土矿中的铝矿物反应形成饱和的铝酸钠溶液。不溶性杂质（称为赤泥）保留在悬浮液中，并在澄清步骤中分离。
消化后，混合物通过一系列减压罐（称为排放罐），在其中将溶液闪蒸至大气压。 （闪蒸中产生的蒸汽用于加热苛性溶液，使其返回到消化状态。）该过程的下一步是从铝酸钠溶液中分离出不溶性赤泥。在称为沙池的粗旋风分离器中除去粗物质（例如海滩沙）。加入合成絮凝剂后，细小的残留物沉淀在耙式浓缩机中，浓缩机溢流中的固体通过滤布去除。然后将这些残留物洗涤，合并并丢弃。澄清后的溶液在热交换器中进一步冷却，提高了溶解的氧化铝的过饱和度，然后泵入高大的筒状沉淀器中。
将大量的氢氧化铝晶体添加到沉淀器中的溶液中作为晶种以加快晶体分离。种晶吸引其他晶体并形成附聚物。它们分为较大的产品尺寸材料和较细的材料，这些材料可作为种子回收。过滤产品尺寸的氢氧化铝晶体附聚物，洗涤以除去夹带的苛性碱或溶液，然后在回转窑或固定式流化床快速煅烧炉中在超过960°C（1,750°F）的温度下煅烧。除去游离水和化学结合的水，剩下市售纯氧化铝（或氧化铝）干燥，细小的白色粉末，外观和稠度类似于糖。它是一半的铝和一半的氧气，它们的结合牢固，以至于化学物质和热量都无法将它们分开。
在第二次世界大战期间，开发了Alcoa组合工艺，用于加工含有相对较高百分比的二氧化硅的低品位矿石。简而言之，该方法回收的是在消化过程中与二氧化硅结合并已用赤泥滤出的氧化铝。不会丢弃赤泥，而是将其与石灰石（碳酸钙）和苏打粉（碳酸钠）一起加热，以产生含有可浸出铝酸钠的烧结产品。以类似于铝土矿的方式消化或浸出该产品，以从不溶性铁，钙和硅材料中提取铝酸钠。然后，淤浆继续进行拜耳法的其余步骤。废渣称为棕泥。
拜耳法生产的氧化铝非常纯净，仅包含百分之几的铁和硅。主要杂质（残留苏打）的含量为0.2％至0.6％。氧化铝本身不仅是生产金属铝的主要原料，而且还是重要的化学物质。它广泛用于化学，耐火材料，陶瓷和石油工业。
精炼四吨铝土矿可生产约两吨氧化铝。一个典型的氧化铝厂，采用拜耳法，每天可生产4,000吨氧化铝。氧化铝的成本可以变化很大，这取决于工厂的规模和效率，人工成本和间接费用以及铝土矿的成本。
铝冶炼
虽然有几种生产铝的方法，但只有一种用于商业用途。Deville法是金属钠与氯化铝的直接反应，是19世纪后期铝生产的基础，但它已被放弃，取而代之的是更经济的电解工艺。碳热法是还原（除去）金属氧化物中氧的经典方法，多年来一直是研究的重点。这涉及到将氧化物与碳一起加热以产生一氧化碳和铝。碳热熔炼的吸引力在于可以绕过氧化铝精炼，从比铝土矿品位低的矿石和比石油焦品位低的碳开始。然而，尽管经过多年的深入研究，拜耳-霍尔-赫鲁特法还没有找到经济上的竞争对手。
虽然原则上没有改变，但今天的霍尔-赫鲁尔特熔炼工艺在规模和细节上与原工艺有很大的不同。现代技术在设备和材料方面有了实质性的改进，并降低了最终成本。
在现代冶炼厂，氧化铝被溶解在深而长方形的钢坯壳中，钢坯内衬碳，钢坯内充满熔融电解质，电解液主要由钠、铝和氟组成，称为冰晶石。
通过碳阳极，直流电通过电解液进入电池底部的碳阴极内衬。在熔池表面形成一层结壳。氧化铝被添加到这个外壳的顶部，在那里它被来自电池的热量预热（大约950°C[1750°F]），并且其吸附的水分被赶走。结壳会周期性地破碎，氧化铝被送入槽中。在较新的电解槽中，氧化铝通过自动加料机直接送入熔池。
电解的结果是熔融铝沉积在电解槽底部，二氧化碳在碳阳极上析出。每生产一公斤（2.2磅）的铝消耗大约450克（1磅）的碳。每生产一公斤铝，大约消耗2公斤氧化铝。
冶炼过程是连续的。定期向槽中添加额外的氧化铝，以取代还原过程中消耗的氧化铝。电流产生的热量使熔池保持在熔融状态，从而使新鲜氧化铝溶解。熔化的铝会周期性地被虹吸掉。
因为冰晶石电解液中的一些氟化物在这个过程中流失了，根据需要添加氟化铝，以恢复镀液的化学成分。含有过量氟化铝的浴缸能提供更高的效率。
在实际实践中，长排的电解槽串联连接。槽的正常电压范围为4至6伏，电流负载范围为30,000至300,000安培。从50到250个电位器可以形成总电压超过1,000伏的单个电位器。功率是铝加工中昂贵的成分之一。自1900年以来，铝生产商一直在寻找廉价的水力发电资源，但也不得不建造许多利用化石燃料能源的设施。科技的进步减少了生产一公斤铝所需的电能。
熔化的铝从电池中虹吸到大坩埚中。从那里，金属可以直接浇注到模具中生产铸锭，也可以转移到保温炉中进一步精炼或与其他金属合金化，或两者兼而有之，形成制造铸锭。